ПАРАЗИТНАЯ ВЧ ГЕНЕРАЦИЯ В МИКРОСХЕМАХ КМОП
А. МЕЖЛУМЯН, г. Москва
(Журнал «Радио», Радиолюбителю-конструктору)

Паразитная ВЧ генерация в микросхемных операционных усилителях - явление хорошо известное и глубоко изученное; отработаны и методы борьбы с ней. Для цифровых же микросхем оно даже не рассматривается, очевидно, принято считать, что его не существует. Такое положение объясняется как вполне объективными причинами, о которых будет сказано ниже, так и чисто психологической установкой - не замечать того, чего не должно быть.

На практике паразитная ВЧ генерация в цифровых микросхемах, как и в линейной усилительной технике, становится причиной "загадочных" сбоев в работе устройств, что само по себе говорит о необходимости исследования этого явления.

Паразитная ВЧ генерация может возникать в цифровых микросхемах многих серий. В публикуемой статье рассмотрены только логические элементы структуры КМОП. И хотя общие результаты и выводы приложимы к микросхемам других серий, определенная их специфика требует проведения исследований для каждой из них.

Из теории известно, что для работы автогенератора необходимо выполнение условий "баланса амплитуд" и "баланса фаз". Суть первого ясна - усилитель автогенератора должен компенсировать потери в цепи ОС. Суть второго также проста - это условие совпадения фазы. Иначе говоря, петля усилитель-цепь ОС должна обеспечивать сдвиг фазы, кратный 2p.

Инвертирующие усилители сдвигают фазу на p, поэтому цепь ОС должна обеспечивать сдвиг фазы еще на p (или 3p, 5p и т.д.). Для неинвертирующих усилителей дополнительного сдвига фазы в цепи ОС не требуется.

При создании автогенераторов внешнюю цепь ОС вводят специально и таким образом, чтобы указанные условия выполнялись только на заданной частоте генерации. Цепь ОС может быть также и "внутренней", или, как ее обычно называют, паразитной. Она присутствует во всех усилителях и, если "баланс фаз и амплитуд" выполняется хотя бы на одной частоте в полосе усиления, усилитель самовозбуждается - этот факт хорошо известен всем разработчикам усилителей и многим радиолюбителям. Более того, иногда усилители возбуждаются только при подаче на вход полезного сигнала или даже только в определенной области мгновенных значений этого сигнала. Генерацию, обусловленную паразитной ОС, называют паразитной.

Для микросхем КМОП базовым элементом является инвертор, выполненный на двух комплементарных полевых транзисторах. На рис.1 изображены передаточные характеристики линейного инвертора с коэффициентом передачи Кп= 1 (1), порогового устройства - компаратора - (2) и одиночного инвертора КМОП (3). Линейный инвертор для логических устройств не пригоден, поскольку в цепи из нескольких таких элементов их состояние оказывается неопределенным. Компаратор можно рассматривать как идеальный логический инвертор (кривая 2), однако получить такую характеристику от устройства на одной паре транзисторов невозможно.

Передаточная характеристика одиночного инвертора (3) вполне подходит для выполнения им логических функций. При последовательном соединении нескольких одиночных инверторов итоговая характеристика приближается к идеальной. В зависимости от реальных характеристик транзисторов характеристика реальных инверторов может оказаться сдвинутой относительно значения 0,5Uпит. Это смещение особенно характерно для логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ с несколькими входами. Положение характеристики многовходовых элементов зависит и от того, объединены их входы или использован только один вход, а остальные подключены к плюсовому, либо минусовому проводу питания [1].

Для идеального порогового устройства четко определено напряжение смены логических состояний или пороговое напряжение Uпор. У реального инвертора переключение происходит в некоторой области, поэтому здесь уместнее говорить не о пороговом напряжении, а о пороговой области значений напряжения или области переключения DUпор. Однако для грубой оценки передаточных характеристик инверторов допустимо и применение понятия порогового напряжения.

Таким образом, передаточную характеристику инвертора можно разделить на три области: нулевую (по напряжению Uвх) I, пороговую II и единичную III (рис.1). Для логических устройств пороговая область является зоной запрещенного состояния. Однако этот запрет - чисто логический и не может помешать физическому нахождению рабочей точки инвертора в этой области.

Вполне очевидно, что в областях I и III дифференциальный коэффициент передачи инвертора меньше единицы, поэтому устройство абсолютно устойчиво. Иная ситуация при нахождении рабочей точки в пороговой области. Здесь этот коэффициент больше единицы и поэтому условие "баланса амплитуд" может быть выполнено. Для возникновения паразитной генерации достаточно наличия паразитной ОС, сдвигающей фазу на p.

Известно, что все усилители - и импульсные в том числе - ламповые, на би-полярных и полевых транзисторах, на микросхемах - задерживают выходной импульс относительно входного. Время задержки является одним из основных параметров усилителей и характеризует его быстродействие. На частоте, где время задержки соответствует сдвигу фазы на p, будет выполнено условие "баланса фаз" и возникнет паразитная ВЧ генерация. Частота генерации F и время задержки распространения tзад связаны соотношением: F=0,5tзад

В свете сказанного выше были проведены эксперименты с микросхемами К176ЛА7, К176ЛЕ5, К561ЛА7, К561ЛН2 при напряжении их питания 9 В. Форма сигналов наблюдалась на экране осциллографа с малоемкостным активным щупом на входе. Логические элементы были включены по схеме инвертора с объединением входов. Сначала исследовано поведение одиночных инверторов при плавном изменении постоянного напряжения на входе. В пороговой области возникает генерация, неустойчивая по краям области и несколько более устойчивая в середине. Форма выходного сигнала близка к синусоиде. При медленном изменении напряжения на входе в пороговой области отмечены срывы генерации с переходом инвертора в нулевое либо единичное состояние, и другие явления, характерные для паразитной генерации.

Даже в середине пороговой области при приближении руки к входу инвертора характер генерации изменяется, вплоть до полного срыва, после чего инвертор может перейти в одно из логических состояний. Четко зафиксировать точку возникновения генерации не удается, и после срыва необходим повторный ее поиск изменением входного напряжения. Эти явления также характерны для паразитной генерации.

Для инверторов К176ЛА7 и К176ЛЕ5 частота генерации близка к 8 МГц, размах сигнала - около 6 В. Различие заключается лишь в том, что для К176ЛЕ5 генерация начинается при меньших значениях напряжения на входе и выходе, что обусловлено различием их переходных характеристик.

У инверторов К561ЛА7 частота генерации - около 12 МГц, размах - около 3 В. У одиночного инвертора микросхемы К561ЛН2 генерации добиться не удалось. Устойчивость инверторов можно объяснить малым значением tзад, в силу чего условие "баланса фаз" выполняется за верхним пределом полосы пропускания. Кроме того, одиночный инвертор имеет сравнительно пологую характеристику в пороговой области. Сдвиг фазы на p на частоте 8 МГц соответствует времени 60 нс. Именно таково типовое значение tзад для логических элементов серии К176. Серия К561 имеет более высокое быстродействие, поэтому частота паразитной генерации для нее выше.

Для определенности положим, что самовозбуждение физически не успеет возникнуть, если время прохождения рабочей точкой пороговой области будет менее длительности одного периода колебаний. По этой причине генерация не представляет опасности для быстропереключающихся компараторов. На частоте 8 МГц длительность одного периода колебаний равна 125 нс. Приняв протяжен-ность пороговой области DUпор равной 0,1Uпит, можно считать,что при длительности перепада линейно изменяющегося входного напряжения, меньшей 1,2 мкс, генерация возникнуть не успеет.

Поэтому при работе с медленно изменяющимися входными сигналами, например, сигналами от датчиков реальных объектов, целесообразно включать в устройство входной буферный усилитель, формирующий короткие перепады. Здесь подойдут компаратор, пороговое устройство на дискретных элементах или цепь из потенциально устойчивых инверторов, например, микросхем К176ЛП1, К561ЛН2.

Существует еще один способ подавления паразитной генерации - шунтирование выхода инвертора конденсатором. В линейных усилителях этот способ, заключающийся в смещении верхней границы полосы пропускания ниже частоты паразитной генерации, стал уже классическим. Разделение же усилителей на гармонические и импульсные во многом довольно условно, и причина этого не столько в различии самих усилителей и требований к ним, сколько в подходе к анализу и расчету.

Подключение конденсатора к выходу инвертора снижает частоту единичного усиления; фазовые характеристики практически не меняются. С точки зрения теории импульсных усилителей происходит увеличение длительности перепадов импульсов без изменения времени их задержки. К сожалению, два эти параметра зачастую путают, например, в [1] утверждается, что подключение конденсатора к выходу инвертора увеличивает время задержки. Причина этой ошибки понятна, поскольку затягивание фронта и спада импульсов легко принять за их задержку. Подключение конденсатора к выходу инвертора практически не ухудшает его формирующих свойств, поскольку входные перепады являются значительно более пологими, чем выходные.

Практический интерес представляет исследование цепи из нескольких последовательно соединенных инверторов при плавном изменении постоянного напряжения на входе первого из них. Были испытаны цепи из трех инверторов микросхем К176ЛА7, К176ЛЕ5 и К561ЛА7. После выведения рабочей точки первого инвертора в пороговую область он начинает генерировать. Генерация практически без ослабления передается по цепи. Добиться генерации второго и третьего инверторов изменением напряжения на входе первого не удалось. Видимо, не всегда возможно два, а тем более три инвертора вывести одновременно или поочередно в пороговую область. Но и при благоприятных условиях генерация первого инвертора сделает невозможной генерацию последующих.

При последовательном соединении элементов разного вида, например, И-НЕ и ИЛИ-НЕ, из-за смещения их передаточных характеристик при изменении напряжения на входе принципиально возможна последовательная генерация в каждом из трех инверторов. Однако рассматривать все возможные варианты сложно, да и нет необходимости, поскольку основная задача - предотвращение генерации. Очевидно, последовательные цепи следует собирать из однотипных элементов, причем желательно, чтобы они находились в одном корпусе.

	Рис. 1

Генерацию первого инвертора цепи из элементов микросхем К176ЛА7 и К176ЛЕ5 надежно подавляет подключение к его выходу конденсатора емкостью 1000 пФ. В последующих инверторах цепи генерация не возникает. Общая характеристика цепи близка к компараторной с небольшим "гистерезисом". К выходу первого инвертора микросхемы К561ЛА7 нужно подключать конденсатор емкостью 3300...4700 пФ, при этом возможна генерация во втором инверторе, которую можно подавить аналогичным образом. Общая характеристика такой цепи также близка к компараторной.

Выше отмечена сложность выведения инверторов в область генерации изменением напряжения на входе первого из них. На рис.2,а показана схема узла, в котором рабочая точка генерации устанавливается автоматически, что обусловливает устойчивость генерации. Рабочая точка при таком включении лежит на пересечении передаточной характеристики инвертора с прямой Uвх=Uвых (4 на рис. 1). Ввиду высокого входного сопротивления транзисторов структуры МОП положение рабочей точки при отсутствии генерации не зависит от сопротивления резистора R1 при изменении его в пределах от нуля до нескольких десятков мегаом.

Рис. 2

Экспериментально выявленные характеристики генерации для узла по схеме рис.2,а в основном соответствуют указанным выше для одиночных инверторов. Сопротивление резистора R1 влияет на характер генерации. При R1=0 частота генерации максимальна (для К176ЛА7 и К176ЛЕ5 - 8 МГц), а амплитуда - минимальна (около б В); форма выходного сигнала - искаженная синусоида. При увеличении R1 до 10...20 кОм частота уменьшается почти в два раза, а амплитуда достигает значения Uпит. Дальнейшее увеличение R1 приводит к незначительному увеличению частоты и уменьшению амплитуды. Для К561ЛА7 при R1=0 частота генерации - около 18 МГц. У инверторов микросхемы К561ЛН2 генерации добиться не удалось.

Подавляет генерацию подключение к выходу инвертора конденсатора. Для серии К176 достаточно емкости 1000...3300 пФ, а для К561 ее необходимо увеличить до 4700...10000 пФ.

Проверить отсутствие самовозбуждения можно простейшим вольтметром. Для этого на выходе инвертора, включенного по схеме на рис.2,а, измеряют напряжение при изменении R1 от.0.до 1...2 МОм. Для надежности результата измерения повторяют при подключении к выходу инвертора конденсатора емкостью 5000...15000 пФ. Изменение выходного напряжения свидетельствует о наличии паразитной генерации.

Цепь из последовательно соединенных инверторов при нечетном их числе по своим логическим функциям соответствует одиночному инвертору. Однако по физическим параметрам такой "составной" инвертор будет отличаться от одиночного. Передаточная характеристика цепи инверторов есть результат наложения передаточных характеристик входящих в нее звеньев, а время задержки равно сумме значений времени задержки каждого звена. Итоговую характеристику несложно определить при симметричной характеристике каждого инвертора (3 на рис . 1) - пороговая область сужается и увеличивается дифференциальный коэффициент передачи. Более сложным получается результат наложения несимметричных характеристик и характеристик, смещенных одна относительно другой.

Явления, иногда возникающие в цепи из трех инверторов с обратной связью (рис.2, б), значительно сложнее, ввиду возможного взаимного влияния генерации всей цепи и составляющих ее звеньев. Для такой системы характерна сложная многофакторная паразитная генерация. Еще более сложные явления способны проявляться в цепи из пяти инверторов.

Из сказанного можно сделать вывод, что основная частота генерации цепи инверторов с ОC будет меньше частоты генерации одиночного инвертора во столько раз, сколько их в цепи. Генерация в составном инверторе возникнет даже в том случае, если он будет собран из потенциально устойчивых элементов, а подавить ее значительно сложнее.

Результаты эксперимента подтверждают проведенный анализ. Для инверторов микросхем К176ЛА7 и К176ЛЕ5, включенных по схеме рис. 2,б, при R1=0 частота генерации примерно равна 3 МГц. Форма сигнала - среднее между прямоугольными импульсами и синусоидой, амплитуда несколько меньше Uпит. При увеличении сопротивления R1 частота понижается, а амплитуда увеличивается почти до Uпит При R1=10...30 кОм частота достигает минимального значения 2 МГц. Дальнейшее увеличение R1 приводит к увеличению частоты, искажениям формы сигнала, появлению пиков, а затем происходит скачкообразный переход к частоте около 8 МГц и близкой к синусоиде форме сигнала. В переходной области генерация неустойчива и внешние причины, например, приближение руки, могут вызвать переход от одного вида генерации к другому.

Микросхема К561ЛА7 дает такие же результаты, несколько отличаются лишь параметры генерации. Так, при R1=0, частота близка к 5 МГц, минимальная частота - 3 МГц при R1=10 кОм.

Подавить генерацию невозможно даже подключением к выходу каждого из трех инверторов конденсаторов емкостью до 0,15 мкФ, при этом только уменьшается частота (для К176 - до 2,5 МГц, для К561 - до 3 МГц), а форма сигнала приближается к пилообразной. Изменение R1 в пределах .0...1,5 МОм приводит к некоторому изменению частоты.

Несколько иные результаты были получены для микросхемы К561ЛН2, содержащей потенциально устойчивые инверторы. Собранная по схеме рис.2,б цепь возбуждается при R1=0 нa частоте около 10 МГц, амплитуда несколько меньше Uпит; форма сигнала - искаженная синусоида. С увеличением R1 частота уменьшается до 4 МГц, а амплитуда увеличивается до Uпит. При R1 около 1,5 МОм частота увеличивается до 5 МГц, а амплитуда несколько уменьшается. Параметры генерации меняются плавно, без скачков. Ее полностью подавляет включение между выходом любого инвертора и общим проводом конденсатора емкостью не менее 0,1 мкФ.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что применение цепей из потенциально неустойчивых элементов с общей ОС недопустимо даже при числе звеньев, равном трем. Возможно использование цепи, собранной из трех, но не более, потенциально устойчивых инверторов, например, микросхем К176ЛП1, К561ЛН2 с подключением в необходимых случаях конденсаторов.

Рис. 3

С цепью смещения по схеме на рис.2,а обычно собирают лишь простейшие генераторы. Традиционная схема подобного генератора изображена на рис.3,. Известно, что мультивибратор, одновибратор и триггер относятся к одному классу устройств, в простейшем случае собранных на двух инверторах, и различаются только характером ОС. Одновибратор может быть представлен как мультивибратор с внешним запуском и для перевода его в автогенерацию требуется лишь перевести усилитель в активный режим. В мультивибраторе дополнительный сдвиг фазы на p обеспечивает второй инвертор, а цепь ОС образована конденсатором С1. Коэффициент ОС близок к 1, в силу чего устройство генерирует релаксационные колебания.

Эпюры сигналов в разных точках генератора по схеме рис.3 показаны на рис.4. Для упрощения анализа принято, что передаточная характеристика симметрична, а защитные диоды во входной цепи инвертора отсутствуют. Наиболее сложен характер траектории рабочей точки в пороговой области, поскольку здесь происходит наложение во времени двух нелинейностей, к тому же при действии сильной ОС. Поэтому временные диаграммы лишь качественно иллюстрируют характер протекающих процессов.

	Рис. 4

Диаграммы показывают, что время нахождения рабочей точки в пороговой области соответствует плавным участкам фронта и спада выходных импульсов инвертора DD1. Эти участки хорошо видны на экране осциллографа. Если длительность плавных участков больше одного периода паразитной генерации, возможно ее возникновение. В реальных устройствах ввиду несимметричности характеристики инверторов, наличия входных защитных диодов и других причин длительность плавных участков может значительно отличаться, из-за чего возможно разное число паразитных колебаний на фронте и спаде, генерация только на фронте или только на спаде и т.п.

Определив по осциллографу длительность плавных участков и зная частоту паразитной генерации, можно оценить и вероятность ее возникновения. Не исключена передача генерации, возникшей в первом инверторе, и на выход второго инвертора. Однако ввиду формирующего действия второго инвертора перепады на его выходе более крутые и, если их длительность будет менее одного периода колебаний паразитной генерации, на выход устройства она не пройдет.

Наиболее надежный способ избежать паразитной генерации - применение потенциально устойчивых инверторов. Однако зачастую целесообразнее собирать тот или иной узел не на инверторах, а на многовходовых логических элементах. В этих случаях нужно принимать указанные выше меры, а выходной сигнал - снимать с выхода второго инвертора.

Рассмотренные явления характерны и для одновибраторов, поскольку их отличие заключается лишь в том, что генерация в них возникает только после подачи запускающего импульса. Мультивибратор по схеме на рис.3 - простейший, принципиально в него (и в одновибратор) может входить и большее число инверторов. Общая структура такого мультивибратора представлена на рис.5. Для работы мультивибратора необходимо, чтобы сигнал ОС по постоянному напряжению был снят с выхода инвертора, имеющего нечетный порядковый номер m, а по переменному напряжению - четный n. При этом не имеет значения m>n или n>m, т.е. подключен правый по схеме вывод конденсатора С1 левее или правее точки подключения резистора R1 к выходу инвертора.

Рис. 5

Такие схемы иногда встречаются в литературе (например, [2] на с. 61) и уже по этой причине они заслуживают внимания. С точки зрения работы мультивибраторы этого вида не имеют серьезных преимуществ по сравнению с построенными по схеме на рис. 3, их можно рассматривать лишь как нерациональный пример. Несколько большую крутизну фронта и спада выходных импульсов нельзя считать преимуществом; тот же результат может быть получен подключением к выходу дополнительного инвертора. Однако анализ по паразитной генерации позволяет выявить их весьма существенные различия. Проблемы, возникающие в цепи из трех инверторов с ОС, были подробно рассмотрены выше и все выводы справедливы и для цепи по схеме рис.5.

На рис.6 показана схема узла, который в литературе (например, в [З]) представлен как разновидность D-триггера. По этой схеме иногда строят регистры буферного хранения информации. Триггер можно применять и для формирования крутых перепадов.

	Рис. 6

Нетрудно заметить, что при определенных условиях в этом узле возможно возникновение паразитной генерации, и применение его в качестве формирователя может привести к серьезным проблемам.

В логических устройствах возникающая во входных цепях ВЧ генерация может передаваться дальше и приводить к произвольной смене логических состояний элементов. В простейших контрольных устройствах с выходом на индикатор человек-оператор может этого даже не заметить. Но, если это устройство работает в быстродействующей цифровой или микропроцессорной системе, не исключено появление ложной информации.

Для триггеров микросхем серии К176 гарантированная предельная рабочая частота равна 1 МГц, реально они надежно работают вплоть до 2,5┘3 МГц. Для триггеров серии К561 рабочая частота еще выше и в зависимости от напряжения питания может достигать 5...6 МГц. Далее идет участок неуверенной работы, границы которого можно определить весьма условно. Последствия, к которым может привести паразитная генерация даже одиночного инвертора, поступающая на триггер или счетчик, трудно предсказать.

У формирователей, собранных на цепи инверторов с ОС, частота паразитной генерации может находиться в области надежной работы триггеров. При работе формирователя на одиночный счетный триггер при четном числе импульсов создается впечатление, что триггер не переключается, а при нечетном внешне все выглядит нормально, однако со временем или под действием внешних факторов число импульсов может стать четным. А если принять во внимание многофакторность и нестабильность генерации, результаты могут быть просто фантастическими.

Не менее "занятные" эффекты получаются и при работе на счетчики и регистры. Возникающие паразитные колебания способны вызвать переключение триггеров счетчика. Наихудшим случаем следует считать применение генератора в виде цепи инверторов с выводом сигнала на счетчик с выхода первого из них. Сложная картина может возникнуть и при сопряжении сравнительно низкочастотных микросхем структуры КМОП с более высокочастотными, например, серии ТТЛ. Возникшая в элементах КМОП паразитная генерация при определенных условиях не только передается в элементы ТТЛ, но и усиливается в них. При подключении низкочастотного генератора на элементах КМОП к счетчику на триггерах серии ТТЛ счетчик будет работать только по крутым перепадам паразитной генерации, не реагируя на сравнительно медленные перепады основного сигнала.

На основе инверторов и логических элементов структуры КМОП выполняют и более сложные узлы, в том числе БИС и СБИС, поэтому при определенных условиях в них также возникает паразитная генерация. Одной из причин может быть действие наводок от сети.

Разумеется, о наличии генерации можно судить только по внешним проявлениям, например, по изменению потребляемого в статическом режиме тока и т.п. Так, микросхема К537РУ10 структуры КМОП, представляющая собой ОЗУ емкостью 2 кБайт, в режиме хранения при Uпит=2...2,5 В потребляет ток всего несколько микроампер. Бывает, однако, достаточно поднести руку к ее корпусу, как потребляемый ток резко и произвольно увеличивается. Вполне возможная причина этого явления - возникновение паразитной ВЧ генерации. Увеличение потребляемого тока, конечно, проблема не слишком серьезная, но паразитная генерация может привести и к разрушению хранимой информации.

Паразитная ВЧ генерация не всегда приводит к неприятным последствиям. Например, в системе, состоящей из генератора ЗЧ на инверторах и усилителя, нагруженного динамической головкой, паразитная генерация способна привести лишь к незначительному увеличению потребляемого тока и нет смысла бороться с ней. Паразитная генерация не опасна и при подаче сигналов на установочные входы триггеров в низкочастотных устройствах.

Как и любое другое физическое явление, паразитная генерация иногда может быть даже полезной. Так, если сигнал с формирователя, склонного к генерации, подают на тактовый вход D-триггера, на информационный вход которого подан сигнал уровня 0 или 1, она способна обеспечить более надежное переключение триггера даже при затянутых перепадах, повторные паразитные импульсы будут только подтверждать состояние триггера, способствуя надежности переключения. Однозначная связь периода паразитных колебаний Tпар и времени задержки tзад логических элементов (tзад=0,5Тпар) позволяет предельно просто и надежно измерить время задержки даже для самых быстродействующих элементов.

В одной работе, конечно, невозможно рассмотреть все проблемы, связанные с паразитной ВЧ генерацией в микросхемах. Автор надеется, что эти исследования будут продолжены другими радиолюбителями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1990.
3. Букреев М.Н. и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. - М.: Советское радио,1975.
4. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. -М.: Радио и связь, 1991.